Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 8
1.1. Конструкционные особенности подающего механизма волчков 9
1.2 Методы расчета волчков 20
1.3: Выводы и задачи исследования 26
ГЛАВА II. Аналитические исследования процесса продавливания и деформации мышечной ткани при сжатии 28
2.1. Исследование процесса истечения мяса через решетки волчка 28
2.2. Исследование деформации мяса при одноосном сжатии 35
2.3. Обзор экспериментальных установок для исследования процесса продавливания мясного сырья 37
2.4. Техника и методика проведения экспериментальных исследований 41
2.5. Выводы 47
ГЛАВА III. Теоретические исследования процесса продавливания мяса 48
3.1. Установление зависимости между допустимым давлением на решетку, вращающим моментом на валу шнека, расходом продукта и угловой скоростью 48
3.2. Расчет перемещений и напряжений в витках шнека 54
3.3. Расчет зазора между корпусом и внешним радиусом шнека по допустимому давлению на сырье 57
Выводы
ГЛАВА IV. Экспериментальное исследование процесса продавливания мяса через решетку и определение механических характеристик мышечной ткани при сжати 60
4.1. Задача и объект исследований 60
4.1.1. Зависимость давления истечения от диаметра
отверстий решетки 60
4.1.2. Зависимость давления истечения от скорости нагружения 65
4.1.3. Зависимость давления истечения от коэффициента эффективности использования площади решетки 67
4.1.4. Микроструктурная оценка структурообразования говядины в зависимости от действующего на него давления 68
4.1.5. Микроструктурная оценка структурообразования свинины в зависимости от действующего на него давления 73
4.1.6. Заключение гистологической экспертизы 76
4.1.7.Определение деформации мышечной ткани говядины и свинины при сжатии 77
4.2. Расчет изгиба витков шнека с резиновой винтовой поверхностью методом конечных элементов 80
4.2.1. Создание геометрической модели резинового шнека 83
4.2.2. Наложение конечно-элементной сетки на геометрическую модель 84
4.2.3. Задание нагрузок 85
4.2.4. Расчет модели и отображение результатов 86
4.3. Выводы 89
ГЛАВА V. Практические результаты работы 90
5.1. Разработка методики расчета волчка с гибким шнеком 90
5.2. Разработка опытно промышленного образца шнека с гибкой винтовой поверхностью 93
5.3. Выработка опытной партии колбасных изделий из сырья измельченного на волчке с резиновым шнеком 96
5.4. Микроструктурные исследования фарша сосисок «Молочные»... 98
5.5 Выводы по главе 100
Выводы и основные результаты работы
- Конструкционные особенности подающего механизма волчков
- Исследование деформации мяса при одноосном сжатии
- Расчет перемещений и напряжений в витках шнека
- Зависимость давления истечения от скорости нагружения
Введение к работе
В Российской Федерации с каждым годом увеличивается количество перерабатываемого крупного рогатого скота, свиней, мелкого рогатого скота и птицы. В связи с этим перед мясоперерабатывающей отраслью стоит актуальная задача переработать сырье, не теряя при этом качества и его питательной ценности.
Комплексное решение задач технического прогресса в мясной промышленности должно решаться за счет изучения закономерностей изменения физических свойств перерабатываемого продукта в ходе технологического процесса, интенсификации технологических процессов, а также автоматизации и механизации.
Задачу повышения качества выпускаемой продукции с одновременным увеличением объема ее производства молено решить совершенствованием существующих и внедрением новых технологий производства, прежде всего, в результате создания современного оборудования, обеспечивающего точное соблюдение всех требований технологии.
Машины и аппараты, перерабатывающие мясное сырье, должны оказывать на обрабатываемый продукт такое воздействие, при котором потери сырья и готовой продукции были бы минимальными. Это вызывает необходимость полного соответствия механических свойств, конструктивных форм и параметров исполнительных рабочих органов машин структурно-механическим свойствам мясного сырья. Особенно это касается одной из основных машин в технологических линиях по производству колбас и полуфабрикатов - волчка. Качество получаемой готовой продукции напрямую зависит от того, как волчок нарежет кусковое мясо. В практике эксплуатации волчков отмечено, что при снижении пропускной способности режущего механизма или при избыточной подаче мясного сырья, металлический шнек начинает разрушать структуру мяса, перетирать его, выжимать сок, при этом
повышается температура фарша, что в конечном итоге сказывается и на качественных показателях готового продукта.
В связи с этим возникла идея усовершенствовать процесс продавлива-ния мясного сырья через режущий механизм волчка и разработать соответствующее устройство с гибким рабочим органом, способным оказывать "мягкое" воздействие на перерабатываемые пищевые продукты. Идея заключается в создании шнека с гибкой винтовой поверхностью. Такая конструкция позволяет учитывать структурно-механические свойства мясного сырья при перемещении его к зоне резания и последующем продавливании. При повышении давления в зоне между приемной решеткой и последним витком шнека до величины, при которой начинает происходить разрушение структуры мяса, витки шнека начинают отгибаться в направлении, противоположном перемещению мяса. При этом между витком и внутренней частью корпуса образуется зазор, через который часть продукта перетекает за виток шнека. Давление перед приемной решеткой уменьшается, а оставшаяся часть мяса продавливается через решетку без разрушения структуры сырья. По мере продавливания витки шнека возвращаются в первоначальное положение. Таким образом, процесс продавливания мясного сырья с применением гибкого рабочего органа позволит повысить качество готовой продукции, благодаря уменьшению давления на перерабатываемое мясное сырье, при этом не нарушая его структуры, а также снизить материалоемкость за счет замены металлического шнека шнеком с резиновой винтовой поверхностью.
Ранее проведенные исследования процесса продавливания мясного сырья через решетки волчка являются не полными, так как не учитывалось влияние давления на структуру мяса. Отсутствуют данные по продавливанию свинины.
Настоящая диссертационная работа выполнена с целью обоснования применения волчка с гибким шнеком, а также создания теоретических пред-
посылок, необходимых для разработки конструкций подающих гибких рабочих органов в волчках. Задача экспериментального исследования заключается в определении влияния силовых факторов на процесс продавливания мясного сырья через решетки волчка и определение предельно допустимого давления, при котором не будет происходить разрушение структуры мяса как для говядины, так и для свинины.
Конструкционные особенности подающего механизма волчков
Эффективность работы волчка во многом определяется конструкцией подающего механизма. С точки зрения равномерности подачи и отсутствия обратного тока продукта наиболее выгодны волчки с поршневым [1] и лопастным [3] подающим механизмом. Но поршневой подающий механизм является периодически действующим, а лопастной обладает низкой надежностью и долговечностью.
Поэтому наибольшее распространение получили шнековые подающие механизмы. Данный тип позволяет устранить отмеченные выше недостатки и отличается простотой конструкции. Сырье в подающий механизм может поступать как с помощью устройств принудительной подачи, так и без них, то есть самотеком. В первом случае характерно наличие дополнительных нагнетающих механизмов, способствующих более полной загрузке подающего.
Если горизонтальное расположение цилиндра вызывает необходимость в значительном подъеме уровня верхнего среза загрузочного бункера как по условиям приема измельченного мяса, так и по требованиям техники безопасности, то при наклонной установке цилиндра с выдачей измельченной продукции вверх уровень расположения верхнего среза загрузочного бункера прямой связи с установкой цилиндра не имеет. Среди различных форм расположения нагнетающих органов при прочих равных условиях, наилучшие показатели имеют волчки с принудительной подачей сырья под прямым углом к подающему механизму.
Как уже отмечалось, подающий механизм промышленных волчков представляет собой шнек, работающий в паре с цилиндром, внутри которого он расположен.
Для начала проведем анализ рабочего шнека. По длине любой рабочий шнек можно условно разделить на три зоны. Первая зона — зона захвата кусков мяса из бункера; вторая зона — зона транспортировки, с одновременной подпрессовкой, мяса в рабочем корпусе; третья зона - зона контакта конца шнека с приемной решеткой, включает в себя опорный палец для поддержания шнека и, как правило, передачи вращения ножам.
У большинства волчков в первой зоне (от 200 до 500 мм) всего один или полтора витка шнека, главной задачей витков является захват кусков мяса в нижней части бункера и передача их во вторую зону. На таком принципе выполнены шнеки волчков фирм: "УралМясоМаш", "Zeydelmann", "KG", "KS" и ряда других ведущих производителей. У некоторых моделей волчков фирмы "Zeydelmann" эта часть шнека выполняет еще и функцию отламывания (отрывания) части от замороженных мясных блоков. Неправильное конструирование этой части шнека приводит к необходимости устанавливать в качестве подающего второй шнек (параллельно основному — например у волчков МП-160; или перпендикулярно к основному - такие волчки называются «угловыми»). Установка дополнительных шнеков приводит к усложнению и удорожанию конструкции, и, как следствие, к снижению надежности волчков, а также более сложной эксплуатации и ремонту.
Некоторые шнеки имеют еще одну дополнительную зону (которая расположена перед первой) — вакуумирования. Задача шнека в данном случае отогнать кусочки мяса от зоны отбора вакуума и передать их в первую зону. Во второй зоне у большинства волчков расположены 3 — 5 витков шнека с переменным шагом, постепенно уменьшающимся в сторону выгрузки. Эта часть шнека полностью заключена в рабочий корпус. Задача этой части шнека -передать куски мяса из первой зоны в третью, постепенно подпрессовывая их до заданного давления, в то же время эта часть шнека должна оказывать минимальное воздействие на куски мяса - не "жевать" и не "перетирать" их. Шаг каждого из витков, расположенных во второй зоне, строго рассчитывается. При расчете учитывается шаг спиральной нарезки внутри корпуса.
Почти у всех ведущих мировых производителей волчков эта часть шнека очень похожа (сказывается многолетний опыт разработки и отработанная методика расчета). Третья зона шнека имеется только у некоторых конструкций волчков. Эта зона представляет из себя круто отогнутую часть последнего витка с углом примерно 100-110 С, которая выполняет функцию ножа, отрезающего куски мяса, попадающего в отверстия приемной решетки.
Фирма «MaDo» (Германия) предложила ряд запатентованных новинок в конструкциях своих волчков. Как было доказано научным исследованием, проведенными фирмой, только 10-30 % расходуемой энергии необходимы для того, чтобы подать сырье шнеком. Режущий комплект потребляет большую часть мощности - 70-90 %. Это открытие привело к разработке нового шнека MADO, состоящего из двух частей - вала и транспортирующего элемента (рис 1.1). Вал, на котором устанавливается режущий комплект, изготавливается из высококачественной нержавеющей стали, а подающий элемент — из очень прочной пластмассы, которая обладает необходимыми эксплуатационными характеристиками и низкими абразивными свойствами, снижая тем самым расход энергии на трение сырья об поверхность шнека.
Исследование деформации мяса при одноосном сжатии
Поскольку витки шнека имеют достаточно сложную форму, то для проведения аналитических выкладок представим виток в виде цилиндрической шайбы с внешним радиусом R2, которая жестко закреплена на валу радиуса R20 (рис. 3.2).
Толщина витка равна 2/г, плоскость витка наклонена к оси вала под углом а - угол между нормалью п к плоскости витка и осью вала z .
Считаем, что продукт движется в положительном направлении оси z и в этом же направлении происходит повышение давления на поверхности витков шнека.
Свяжем с витком шнека цилиндрическую систему координат г, д , z, начало которой помещено в центре средней плоскости витка. На поверхности витка z = - h давление будет равно - Pjcosa, а на поверхности z = h равно P2cosa, (Pi P2), т.е. изгиб витка будет происходить в сторону, противоположную движению продукта. Примем, что основным изгибающим фактором является нормальное давление, действующее на каждую поверхность витка.
При аналитических расчетах используем Ранее был проведен расчет напряжений и перемещений в витках гибкого шнека под действием разности давлений на его рабочую поверхность. Если наибольшее из этих давлений является максимально допустимым для данного продукта, то имеется возможность определения того зазора между витками шнека и корпусом волчка, при котором продукт потечет из области повышенного давления по этому зазору. Причем, как было уже ранее сказано, этот зазор для данного допустимого давления следует определять экспериментально. Для расчета зазора 8 рассмотрим схему, показанную на рис. 3.3.
На рис. 3.3 показаны: Rj - внутренний радиус корпуса волчка,м; R2 -внешний радиус шнека, м; R2o - внутренний радиус витка, м; ML - кривая изгиба срединной плоскости витка шнека, м; UZ(R2, 0) - перемещение внешних точек витка шнека, находящихся в срединной плоскости в осевом направлении, м. До изгиба срединная плоскость витка занимала положение, при котором угол а=0.
Поскольку при расчетах величиной радиального перемещения Uz пре-небрегались по сравнению с осевым перемещением, то длина дуги ML приближенно равна разности радиусов R2 и R20, т.е.: KJML&R2 -R2O , При небольших изгибах срединной плоскости заменим дугу ML ее хордой. В этом случае величина зазора д определяется по формуле: b Rl-R2Q-(R2-R20)cosa, (3.28) Далее имеем: Uz(R2$) і (U.(R,,0JY „по, 2 /=sma,cosa= 1- л - П , (3.29) На основании соотношений (3.29), равенство (3.28) примет вид: 5=Rl-R20-(R2-R2QLl (Uz(R2,0) (3.30)
Подставив в равенство (3.30) выражение Uz(R2,0) из ранее полученного равенства (3.27), найдем зависимость между величиной зазора д и приложенной разностью давлений в рабочей поверхности витков шнека.
В процессе измельчения мяса в волчке наибольшее давление возникает у конца шнека на внутренней поверхности решетіш, так как здесь происходит продавливание мяса через режущий механизм. Зная величину давления истечения, при котором начинает происходить разрушение структуры мяса и используя экспериментальную зависимость между максимальным давлением и величиной зазора д, можно так подобрать геометрические и физические характеристики шнека, что при предельно допустимом давлении витки шнека начнут отгибаться в направлении, противоположном перемещению мяса, образуя при этом зазор, через который часть продукта перетечет за виток шнека, при постепенном продавливании оставшегося перед решеткой мяса.
1. Разработана математическая модель процесса перемещения сырья шнеком, связывающая между собой предельно допустимое давление на сырье перед решеткой, вращающий момент на валу шнека, расход продукта и угловую скорость.
2. Разработана математическая модель для определения перемещений и напряжений в витках шнека с целью определения возможного зазора между корпусом волчка и витком шнека.
3. Установлена математическая зависимость между величиной зазора (между корпусом волчка и витком шнека) и приложенной разностью давлений на рабочей поверхности витков шнека для подбора требуемых геометрических и физических характеристик шнека с гибкой винтовой поверхностью. уравнения теории упругости, записанные в перемещениях (уравнение Ламе).
Расчет перемещений и напряжений в витках шнека
С целью определения степени влияния коэффициента эффективности (с?) на силовые показатели процесса продавливания мяса говядины и свинины через отверстия решетки была проведена серия экспериментов. При этом использовалось две решетки с разным числом и диаметром отверстий 5 мм. С помощью перекрытия части отверстий на решетках можно получить различные значения коэффициентов зффеїсгивности использования её площади. Значения исследуемых коэффициентов (р приведены в табл. 4.2.
Проблема получения высококачественного мяса охватывает большой круг вопросов технологического порядка. Наиболее важными в технологии переработки сырья мясной промышленности, оказывающими влияние на качество мяса, являются процессы механического воздействия на мясо убойных животных.
Исследование структуры мяса, подвергнутого одностороннему объемному сжатию, а также после продавливания через решетки с различными диаметрами отверстий проводилось в специализированной лаборатории Ми-кояновского мясокомбината. Целью данных исследований явилось определе ниє влияния давления на структуру мяса. А также нахождения предельно допустимого значения давления, при котором не будет происходить разрушение структуры мяса.
Эксперимент проводился с применением лабораторного стенда на базе разрывной машины Р—5. Говяжье и свиное мясо подвергали одностороннему объемному сжатию различными по величине нагрузками в диапазоне значений от 5 до 2,5 МПа, при этом после каждого опыта брали образцы для последующего проведения анализа его структуры.
Для гистологического исследования мяса после нагружения из него вырезали образцы размерами приблизительно 30x20 мм, таким образом, чтобы на сторонах получаемого прямоугольника мышечные волокна находились либо в продольном, либо в поперечном сечении. При фиксации материала использовали 10%-й нейтральный водный раствор формалина. Фиксацию проводили при комнатной температуре в течение не менее 24 ч.
После фиксации мяса образцы промывали проточной холодной водой и заливали в желатин согласно методу Гаскела и Гриффа в модификации Геринга и Тен Берге.
Срезы окрашивали гематоксилином Эрлиха и докрашивали водно-спиртовым эозином, затем заключали их под покровные стекла в глицерин-желатин. Изучение микроструктурных препаратов и их фотографирование проводили на световом микроскопе «Jeneval» (Германия) с подключенной компьютерной системой анализа изображения «Видео Тест» с использованием программы «Морфо - 4,0».
Гистологическое исследование сырья позволило точно установить микроструктурные изменения, произошедшие в процессе механического воздействия на продукт.
Опытным путем было установлено, что при давлении на мясо 5,0 МПа (рис 4.8, а), происходит разрушение сарколеммы и мышечных волокон поперечнополосатой мускулатуры сырья. Происходит набухание, разрыв и слия ниє мышечных волокон. Это приводит к зернистому распаду многочисленных мышечных волокон и деструкции ядер. Деструкция мышечных волокон носит множественный характер и выражается в нарушении целостности сарколеммы и миофибрилл с распадом последних до мелкозернистой белковой массы. Гомогенная мелкозернистая белковая масса содержит мельчайшие фрагменты мышечных волокон и растекшиеся капли жира. Жир равномерно распределялся в вакуолях и мелкозернистой белковой массе. Вакуоли заполнены жировой субстанцией, мясным соком и воздухом.
На рис. 4.8, б мышечная ткань также представлена в виде однородной белковой массы. Гистологически обнаруживается зернистый распад отдельных фрагментов мышечных волокон. Разрывы мышечных волокон распространяются преимущественно на внутриклеточные миофибриллярные образования. Деструктивные изменения приобрели распространенный характер и выражаются резким разрыхлением пучков коллагеновых волокон соединительнотканных прослоек. Плотные соединительнотканные тяжи превращаются в рыхлую структуру. Местами выявляются слившиеся фибриллы с гомогенной массой продукта. В мышечных волокнах выявляются микротрещины и щелевидные пространства. Выявлен процесс деструкции миозиновых и актиновых миофиламентов с образованием в отдельных участках волокон однородной белковой массы.
На рис. 4.8, в отмечается наличие крупных частиц мышечной ткани, включающих фрагменты мышечных пучков с различной ориентацией волокон. Мышечные волокна набухшие, со средневыраженной поперечнополосатой исчерченностью. В составе рассматриваемого образца отмечена плотная и рыхлая соединительная ткани, измельченные фрагменты жировой ткани в виде групп липоцитов. Ядра мышечных волокон сохраняются плохо. В некоторых местах можно обнаружить кусочки правильно расположенных коллагеновых волокон, представляющих собой разрушенные сухожилия.
Зависимость давления истечения от скорости нагружения
На основе теоретических и экспериментальных исследований был разработан, изготовлен и испытан в производственных условиях опытно-промышленный образец шнека с гибкой винтовой поверхностью.
Представленный опытно-промышленный образец содержит два конструктивных элемента - металлический вал, изготовленный из стали У9, и гибкую винтовую поверхность, выполненную из пищевой резины марки Elastosil S80. Резина под давлением подается в заранее изготовленную пресс-форму в виде требуемой винтовой поверхности и вулканизируется на металлическом валу. Фиксация резины на металлическом валу осуществляется с помощью компаунда (специального клея), разрешенного к применению в пищевой промышленности.
Данный шнек изображен на рис. 5.1.
Центрируется шнек пазом втулки по приводному валу редуктора и стопорным кольцом подшипника. Конец приводного вала имеет параллельные лыски, при помощи которых вращение передается через паз втулки на шнек. На другом конце шнека имеется посадочное отверстие под комплект сменных ножей и решеток, выполненный таким образом, чтобы при включении привода волчка происходило совместное вращение шнека с режущими ножами, но без вращения решеток, которые фиксируются в рабочем канале волчка.
Цилиндрическая полость корпуса, в которой вращается шнек, имеет винтовые канавки, улучшающие подачу перерабатываемого продукта к режущему механизму. Для снижения коэффициента трения резиновая винтовая поверхность отполирована. Также для этой цели возможно нанесение тонкого слоя другого материала, например латекса. Установка шнека в волчке осуществляется вручную без специальных приспособлений.
Механизм прижатия ножей к решеткам стандартный, как у большинства волчков, и включает в себя прижимную гайку и втулку. Первоначально втулкой осуществляется отдельная фиксация приемной решетки, а затем при помощи прижимной гайки выверяется требуемое усилие затяжки режущего комплекта. На рис. 5.2. представлен чертеж шнека с резиновой винтовой поверхностью.
Выработка опытной партии колбасных изделий производилась на Микояновском мясокомбинате, где был установлен волчок с резиновым шнеком на базе волчка МИМ - 300 УЗ (рис. 5.3).
В качестве образца были выбраны сосиски «Молочные».
Подготовленное сырье для сосисок измельчалось на волчке с резиновым шнеком. Диаметр выходной решетки волчка 3 мм. Дальнейшая обработка осуществлялась по традиционной технологической схеме для данного предприятия.
В качестве контроля был выбран сорт сосисок, выработанный на традиционном оборудовании (куттер, волчок). Органолептическая оценка мясопродукта осуществлялась специалистами-дегустаторами, имеющими опыт работы по оценке качества мясной продукции. Дегустационная комиссия состояла из 5 человек.
Органолептическая оценка мясопродукта проводилась в соответствии с требованиями к показателям определенных НД на данный вид продукции, а сроки проведения исследований определяли в соответствии с МУК 4.2.1847-04.
Органолептическую оценку качества мясопродуктов проводили по следующим показателям: товарный вид, цвет, аромат, консистенция, вкус. Качество сосисок определяли сначала на целом, а затем на разрезанном продукте. Внешний вид, цвет и запах поверхности целого продукта определяли визуально путем наружного осмотра. Показатели качества разрезанного продукта: цвет и вид на разрезе, консистенцию, запах, аромат и вкус определяли визуально на только что сделанных поперечных и продольных разрезах. Мясопродукты оценивали по 5-балльной шкале. В процессе органолептической оценки каждый дегустатор выставлял баллы в дегустационные листы.
Результаты проведения органолептической оценки сосисок заносили в протоколы, на основании которых определяли соответствие образцов требованиям нормативов по технической документации, также были даны рекомендации и сделано заключение. Результаты оценки образцов сосисок, выработанных на традиционном оборудовании и на волчке с резиновым шнеком, представлены в табл. 5.2.
